河南省國土空間開發與生態環境耦合關聯時空格局研究

謝曉彤 李效順

(1.中國礦業大學中國資源型城市轉型發展與鄉村振興研究中心， 徐州 221116;2.江蘇自然資源智庫中國礦業大學研究基地， 徐州 221116)

0 引言

國土空間開發與生態環境之間客觀上具有交互脅迫關系，國土空間是人類生產生活和社會經濟活動以及生態文明建設的重要空間載體，國土空間格局是自然生態過程與人文社會系統交互耦合作用的綜合體現[1-2]。改革開放以來，我國的城鎮化率從1978年的17.92%增長至2018年的59.58%，尤其是2000年以來城市化步入快速發展階段，我國建設區規模從1981年的7×103km2迅速擴張至2018年的5.8×104km2。另外，工業用地一直在我國國土空間格局中扮演重要角色，其占建設用地比重長期保持在20%以上，而東部及北部等工業重鎮甚至突破30%，工業用地偏多、生活用地偏少、生態空間供給不足、人居矛盾突出逐步影響我國國土空間結構。國土資源過度開發、粗放利用的增長模式，人口過度集聚和侵占自然資源，勢必造成生態環境的破壞[3-4]。在持續快速的城市化進程以及國土空間結構逐漸失衡的現實背景及相關政策導向下，如何協調國土空間利用與生態環境保護，科學引導國土空間有序開發，成為實現區域全面協調可持續發展的關鍵。

國土空間開發與生態環境既相互作用又相互約束，一方面，通過合理開發國土空間格局，促使空間內各類要素合理流動與高效集聚，進而推進城市土地集約利用，改善生態環境，而生態環境的良好發展則會降低經濟增長產生的資源消耗；另一方面，國土空間的過度開發會導致環境污染及資源浪費，而生態環境水平的下降意味著資源環境承載能力和土地集約利用水平的減弱，進而制約高質量國土空間格局的開展[5]。目前，國內外學者對城鎮化與生態環境的相關研究主要涉及3方面：①針對國土空間開發與格局優化的研究[6-7]，如黃賢金等[8]、林伊琳等[9]以黃河流域和滇中城市群為研究對象，基于國土開發強度和生態安全格局為視角分析國土空間格局優化路徑。隨著國土空間規劃工作的全面開展，關于國土空間分區優化及開發適宜性評價的研究亦逐漸增多[10-12]。②針對城市發展進程中生態環境保護與治理的單一維度研究，主要涉及生態環境中的土地利用、水資源利用、環境污染等問題與城市發展的關系研究[13-17]。③針對城市化與生態環境的交互耦合關系及作用機理研究，例如從人口、空間、經濟和社會等層面探討城市化對生態環境的脅迫作用，從生態資源、生態壓力和生態響應等層面分析生態環境對城市化的約束效應[18-20]。研究尺度上涵蓋國家、城市群、省域、市域等，并多以長三角、珠三角、京津冀等城市群，流域以及城市為研究重點[21-23]，研究方法主要包括GIS空間分析[24]、耦合協調度模型[25]、空間相關分析[26]、PSR模型[27]以及部分數學模型[28]等。

綜上可見，學者們在不同層面已開展大量研究，但尚存在一些不足。目前針對國土空間開發與生態環境協調作用關系的研究較少，而且關于交互作用層面，多側重于兩類系統間耦合協調度在時間維度上的排序，動態化規律引入不足。國土空間開發與生態環境間的相互關系受制于區域經濟發展階段和地域分異規律，具有一定的空間關聯特征，但以往研究偏重于測度出兩類系統間的耦合協調類型，空間關聯性研究不足。基于此，面向國土空間高質量發展的現實需求，本文以河南省市域單元為研究對象，選擇經濟快速發展的2008—2018年為研究時段，對國土空間開發與生態環境的交互耦合機制進行分析，并在此基礎上，構建國土空間開發與生態環境綜合評價指標體系以測度國土空間開發與生態環境系統指數的演變趨勢，并借助耦合協調模型和空間自相關方法，探析國土空間開發與生態環境耦合協調的時空分異特征以及空間關聯時空格局，以期為探索河南省國土空間高質量發展路徑，實現區域社會-經濟-生態協調可持續發展提供新思路和參考依據。

1 研究區概況、指標體系與數據來源

1.1 研究區域

河南省界于北緯31°23′～36°22′，東經110°21′～116°，位于我國中部、黃河中下游，土地面積1.67×105km2，地勢西高東低，山地、丘陵、平原、盆地等地貌類型齊全，氣候四季分明，植被類型豐富，國土空間自然稟賦優勢突出。河南省作為我國農業、人口和經濟大省，近年來實現了城鎮化和工業化的快速推進，但在經濟快速發展的同時，河南省自然資源約束趨緊，經濟發展給生態環境帶來的壓力不斷增大，國土空間格局結構逐漸失衡。因此，亟需通過合理判斷國土空間開發與生態環境間的交互耦合關系，優化國土空間格局。

1.2 指標體系構建

協調國土空間開發與生態環境保護，是實現區域全面協調可持續發展的關鍵。河南省國土空間通過人口集聚、經濟發展、用地擴張等給生態環境造成了嚴重破壞，而生態環境由于環境惡化、生態破壞、資源枯竭等原因約束著國土空間的良好發展，國土空間開發與生態環境間的交互耦合關系如圖1所示。為準確反映國土空間開發系統與生態環境系統的交互耦合機制，考慮到數據指標的可獲得性，分別從2個系統層、6個準則層、26項指標構建國土空間開發與生態環境綜合評價指標體系。國土空間開發系統主要反映國土空間的開發現狀與社會經濟發展程度，其中國土空間承載能力以城鎮用地比例、農村用地比例表征區域空間承載能力，以交通用地密度表征區域交通承載強度，以每萬人擁有建成區面積表征區域城市人口所占土地面積；社會經濟發展水平方面以經濟密度、地均工業總產值及二三產業比重反映區域經濟發展程度，以人均社會消費品零售總額、城鄉居民可支配收入比表征人們的物質生活條件，以在校大學生人數及醫院床位數表征區域社會保障水平；人口規模現狀方面以人口密度、人口城鎮化率及人口自然增長率反映區域土地面積上的人口數量，以二三產業從業人員比重表征區域二三產業從業人員數量。生態環境系統主要反映區域資源環境的承載能力與生態現狀，其中生態環境壓力以人均工業廢水排放量、人均工業二氧化硫排放量、人均綜合用水量及農用化肥投入強度表示區域內生態環境的良好與否；生態環境現狀以森林覆蓋率、人均水資源總量、人均生態用地面積及生物豐度指數表征區域生態環境的稟賦情況；生態環境響應以生活垃圾無害處理率、工業固廢綜合利用率及環境投資總額占比表示區域針對生態現狀采取的基礎措施。具體如表1所示。

表1 國土空間開發與生態環境綜合評價指標體系Tab.1 Comprehensive index systems of land space development and eco-environment

圖1 國土空間開發與生態環境交互耦合機制Fig.1 Interactive coupling mechanism between land space development and eco-environment

1.3 數據來源與處理

本文所需數據主要為河南省各地級市數據：①土地利用數據來源于河南省自然資源廳2008—2018年的土地利用變更調查數據。②社會經濟發展、人口以及生態環境數據來源于2008—2018年的各地市統計年鑒和《河南統計年鑒》、《河南省水資源公報》以及各地市國民經濟和社會發展統計公報。部分地市個別年份缺失數據以相鄰年份數據為基礎，通過移動平均、趨勢外推的方法進行補充。為避免指標體系中不同量綱無法直接匯總的問題，本文采用無量綱方法[29]對正向和負向指標數據進行標準化處理，計算式為

(1)

式中Xij——評價對象第i個評價指標在第j年的標準化值

xij——評價對象第i個評價指標在第j年的指標值

i——評價指標數量

j——年份

1.4 指標權重確定

由于本文研究區域涉及多地域、跨年度的綜合指數測算，考慮到指標間的相互關聯性，為消除權重確定的主觀因素，本文采用熵值法[30]測算指標權重。具體計算方法為

(2)

其中

hi=1-ei

(3)

(4)

k=1/lnn

(5)

(6)

式中ei——第i個評價指標的信息熵

hi——第i個評價指標的信息效用值

wi——第i個評價指標的權重

n——研究單元的數量

根據式(2)～(6)處理確定國土空間開發指標體系和生態環境指標體系中基礎指標的權重，處理結果如表1所示。

2 研究方法

2.1 綜合指數評估模型

運用線性加權方法分別計算國土空間開發系統和生態環境系統的評價指數[31]，具體計算方法為

(7)

(8)

式中F(x)——國土空間開發系統綜合評價指數

G(y)——生態環境系統綜合評價指數

Xi——國土空間開發系統評價指標標準化值

Yj——生態環境系統評價指標標準化值

Wi——國土空間開發系統評價指標綜合權重

Wj——生態環境系統評價指標綜合權重

2.2 耦合協調度模型

2.2.1國土空間開發與生態環境耦合度模型

耦合度是某一系統中各模塊間緊密程度的度量[32],研究國土空間開發與生態環境的耦合度可以定量反映兩者之間的交互作用與脅迫關系。參考已有研究，構建國土空間開發與生態環境耦合度模型，具體計算方法為

(9)

式中C——國土空間開發與生態環境間的耦合度，取0～1

k——調節系數，取2

2.2.2國土空間開發與生態環境協調度模型

耦合度模型雖然可以測度系統間交互作用的強弱，但是無法反映系統間的協調發展水平。因此，本文構建了國土空間開發與生態環境協調度模型，具體計算式為

(10)

其中

T=αF(x)+βG(y)

(11)

式中D——國土空間開發與生態環境的協調度，取0～1

T——國土空間開發與生態環境的綜合指數

α、β——國土空間開發與生態環境的待定系數，取0.5

2.2.3國土空間開發與生態環境耦合協調等級劃分

為明確國土空間開發與生態環境間的耦合協調程度，結合相關研究成果[33-34]，將兩者間的耦合協調度劃分為3大類10個亞類，如表2所示。

表2 國土空間開發與生態環境耦合協調類型劃分Tab.2 Classification of coupling coordination types between land space development and eco-environment

2.3 空間自相關分析

空間自相關分析可反映一個區域單元上的某種地理現象或某一屬性值與鄰近區域單元上同一現象或屬性值的關聯程度。空間自相關分析一般分為全域相關(Global Moran’sI)和局部相關(Local Moran’sI)。Global Moran’sI指數可以反映空間相鄰單元屬性值的相似程度。Local Moran’sI指數可以反映區域與相鄰區域間的差異程度及顯著性[35]，具體計算式為

(12)

(13)

其中

(14)

式中GMI——Global Moran’sI指數，取-1～1

LMIi——Local Moran’sI指數

Zi、Zj——變量在相鄰配對空間單元的取值

wij——空間權重矩陣元素

S2——統計量方差

當GMI>0時，表明研究單元的觀測值趨于空間聚集，呈正相關；當GMI<0時，表明空間呈離散狀態，呈負相關；當GMI=0時，表明空間不存在相關關系。當LMIi>0時，表明存在“高-高”(“低-低”)聚集；當LMIi<0時，表明存在“高-低”(“低-高”聚集)；當LMIi=0時，即為不顯著區域。

3 實例與分析

3.1 國土空間開發與生態環境系統指數時空演變分析

采用熵值法對指標權重進行賦權，根據式(2)～(8)計算河南省2008—2018年18個地市國土空間開發系統與生態環境系統的評價指數。基于子系統與系統的評價指數，分析其時空演變規律。

圖2為河南省2008—2018年國土空間開發系統指數的變化趨勢。國土空間開發系統指數在整個研究時段表現出穩中有進的趨勢，2012年出現小幅上升，隨后穩定發展。空間上看，鄭州市國土空間開發水平高于其他地市，區域梯度差異明顯，焦作市、漯河市、洛陽市等空間開發水平較好，呈條帶狀集中分布，主要原因在于經濟基礎良好、交通便利、人口密度較大。水平低值區多位于河南省南部與東南部，成集聚狀分布，成因歸結于社會經濟生產效率低下，非農業生產能力薄弱，欠缺提升區域經濟發展能力的動力點。

圖2 2008—2018年國土空間開發系統指數演變趨勢Fig.2 Evolution trends of land space development during 2008—2018

圖3為河南省2008—2018年生態環境系統指數的變化趨勢。生態環境系統指數總體呈緩慢縮減并提升的態勢，2008—2018年河南省中部、南陽盆地以及豫東平原地帶擴展明顯，西北部呈縮小狀態。空間上生態環境多依山傍水，高值區于洛陽市、三門峽市、南陽市等聚集，該類地區山地較多、水網密集，生態資源稟賦良好。生態環境系統指數低值區多集中于鄭州市、洛陽市、許昌市等地，其經濟發展程度較高，隨之帶來的環境污染嚴重，致使生態環境水平較低。

圖3 2008—2018年生態環境系統指數演變趨勢Fig.3 Evolution trends of eco-environment during 2008—2018

3.2 國土空間開發與生態環境耦合協調度時空格局分析

依據國土空間開發與生態環境的系統指數值，通過式(9)～(11)測度兩類系統的耦合協調度，結果如圖4所示。

圖4 國土空間開發與生態環境耦合協調度變化趨勢Fig.4 Time change about coupling coordination degree of land space development and eco-environment

由圖4可知，時序上看，2008—2018年河南省國土空間開發與生態環境耦合協調度平均值處于0.46～0.76之間，耦合協調度主要位于勉強協調與初級協調階段，總體呈現出穩中有升的態勢，這是由于地方政府對區域生態環境愈加重視，注重經濟增長數量質量并重，并出臺了諸多促進國土空間綠色發展，實現經濟發展的保護政策。

空間上看，河南省國土空間開發與生態環境的耦合協調度演變具有明顯的地域分異特征(圖5)。其中：①2008年耦合協調度處于0.45～0.69之間，商丘市、周口市、駐馬店市等豫東平原區域處于瀕臨失調狀態，而開封市、許昌市、漯河市等中部地區為勉強協調狀態，這是由于該類地區城市發展主要側重經濟增長而忽視生態環境，進而導致空間開發與生態環境的協調關系逐漸失衡。②2011年耦合協調度處于0.43～0.74之間，相較于2008年，增加了中級協調類型。其中初級協調與中級協調的區域為鄭州市、濟源市、洛陽市、三門峽市等中西部區域，勉強協調與瀕臨協調區域主要聚集于河南省中東部地帶。河南省中部與東部平原是重要的經濟發展區與糧食生產基地，國土空間開發水平較高，耦合協調處于過渡狀態，需要進一步提升。③2014年，勉強協調與瀕臨協調狀態空間分布格局較2011年相對穩定，個別城市有一定程度變化，例如平頂山市由勉強協調型轉變為瀕臨協調型。處于中級協調狀態的只有鄭州市，初級協調型的區域有濟源市、洛陽市和三門峽市，該類地區國土空間開發程度較高，地方政府重視保護生態和資源環境，合理集約的空間開發帶來了經濟水平和生態環境的同步發展，致使兩者間處于耦合協調提升狀態。④2018年耦合協調度處于0.44～0.75之間，處于初級協調與中級協調狀態的有濟源市、洛陽市和鄭州市。勉強協調與瀕臨失調的地區增長至15個，主要聚集于豫東平原、黃淮海平原與部分豫北平原地區。綜上可見，2008—2018年的耦合協調度整體空間格局類似，局部類型有所變化。總體上看，國土空間開發與區域生態環境耦合協調的空間格局呈現中東部協調過渡，中部和西北部協調提升的特征，兩者間的耦合協調度有顯著聚集效應，不同耦合協調類型在空間分布上存在集聚特征。因此，需要通過空間相關分析對國土空間開發與生態環境的空間關聯格局作進一步研究。

圖5 2008—2018年河南省國土空間開發與生態環境耦合協調度空間分布Fig.5 Spatial distributions of coupling coordination degree of land space development and eco-environment from 2008 to 2018 in Henan Province

3.3 國土空間開發與生態環境空間關聯時空格局分析

3.3.1全局自相關分析

依據全局自相關分析得出2008年、2011年、2014年及2018年的國土空間開發與生態環境的全局自相關指數(表3)。從表3中可看出，歷年全局自相關指數在P=0.05水平下顯著為正，說明國土空間開發與生態環境水平均存在正相關關系，其中國土空間開發水平歷年的Global Moran’I指數分別為0.242 8、0.226 9、0.215 0、0.169 3，指數由強減弱；生態環境水平歷年的Global Moran’I指數分別為0.446 8、0.414 3、0.351 8、0.481 6，指數先減弱后增強，2018年的正向空間關聯性最高，整體空間關聯性高于國土空間開發水平。

表3 全局自相關指數Tab.3 Global auto-correlation index

3.3.2耦合協調度局部空間關聯分析

為進一步明晰國土空間開發與生態環境耦合協調度的空間關聯格局，采用全局自相關和局部自相關進行分析。如表3所示，2008年、2011年、2014年、2018年國土空間開發與生態環境耦合協調度的Global Moran’I指數分別為0.569 6、0.440 5、0.292 4、0.281 4，指數逐漸下降，2008年的正向空間關聯性最強。進一步運用GEODA軟件對耦合協調度的局部空間自相關進行分析，探討局部區域的空間異質性，并利用ArcGIS軟件繪制耦合協調度的局部空間自相關LISA圖(圖6)。

圖6 河南省國土空間開發與生態環境耦合協調度局部空間關聯圖Fig.6 Local spatial correlation of coupling coordination degree between land space development and eco-environment from 2008 to 2018 in Henan Province

從圖6看出，國土空間開發與生態環境耦合協調度空間分異特征明顯。時序上看，2008—2018年HH集聚單元由3個減至2個，集中區域有所縮減，HH區域由洛陽市、濟源市、焦作市縮減至濟源市和焦作市；2008—2018年間，LL集聚單元數量未發生變化，但集中位置發生轉移，有“分散布局”趨勢，由東南部向東部和北部移動，其中2018年LL區域增加了北部的鶴壁市；2018年研究單元內出現LH類型，即平頂山市，非顯著類型區域的空間格局隨時間推移較為穩定。空間分布上，HH集聚單元多分布在西北部地區，LL集聚單元主要位于東部與南部。另外，國土空間開發與生態環境耦合協調度存在一定的空間集聚特征，HH呈現“組團”形式，LL區域由“散布”式向“組團”式轉變，LH區域隨機分布在LL區域周邊。

整體來看，河南省國土空間開發與生態環境耦合協調度的集聚特征與社會經濟發展階段相關。西部和北部地區，國土空間開發與生態環境耦合協調度較高，區域之間存在高協調輻射，形成HH集聚類型區；東部和南部地區，國土空間開發與生態環境耦合協調不足，區域之間存在低協調輻射，形成LL集聚類型區。基于兩者耦合協調空間分布格局(圖5)與局部LISA圖(圖6)，可分析得出，HH集聚類型區域主要對應中級協調與初級協調類型區域；LL和LH集聚類型區域主要對應瀕臨失調區域。

4 討論

通過剖析河南省國土空間開發與生態環境系統指數的時序演變規律、兩者耦合協調度的時空分異特征及空間關聯格局，能夠為河南省合理規劃區域發展政策提供依據。根據研究結果看出，河南省國土空間開發與生態環境的耦合協調度及空間關聯格局變化趨勢存在兩種模式：一種是隨著國土空間開發程度不斷提升，生態環境持續遭致破壞，兩類系統間的耦合關聯性逐漸分散；另一種是用地開發程度提升伴隨著經濟發展水平的逐步提高，進而使研究區域更具備環保投資能力，能夠緩解區域存在的生態環境壓力，促使國土空間開發與生態環境間聯系更為協調，兩種模式能夠為城市建設與區域可持續發展提供不同層面的參考。

5 結論

(1)2008—2018年國土空間開發水平整體穩中有進，生態環境水平表現為緩慢縮減并提升的態勢。空間上看，河南省國土空間開發水平存在區域梯度差異，水平高值區以鄭州市為核心呈條帶狀分布，水平低值區主要位于東南部并呈集聚態勢；河南省生態環境水平存在明顯的地域依賴規律，水平高值區多以依山傍水的西南區域為主，水平低值區集中在經濟發展程度高、環境污染嚴重的中部與北部區域。

(2)河南省國土空間開發與生態環境的耦合協調度整體處于瀕臨失調與勉強協調階段，協調程度隨時間推移呈增強態勢，其中2011年后出現中級協調類型區。空間上，2008—2018年的耦合協調度表現出中東部協調過渡，中部和西北部協調提升的特征，局部區域類型有所變化，兩者間的耦合協調度有顯著聚集效應。

(3)全局自相關結果表明，國土空間開發與生態環境水平均存在顯著正相關關系，國土空間開發水平相關程度由強減弱，生態環境水平相關程度先減弱后增強。進一步分析國土空間開發與生態環境耦合協調度的空間關聯格局，兩者耦合協調度歷年呈正相關性，局部空間自相關結果顯示，兩者耦合協調度有明顯集聚特征，HH類型組團分布，LL類型由分散向組團轉變，LH類型隨機分布在LL類型周邊。整體上看，河南省國土空間開發與生態環境耦合協調度的集聚格局隨時間推移較為穩定，局部區域發生些許變化，而基于局部空間自相關得出的耦合協調度空間關聯格局與整體的耦合協調發展空間分布情況基本相符。